一种MEMS压阻式压力传感器及压阻排布方法

一种mems压阻式压力传感器及压阻排布方法
技术领域
1.本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种mems压阻式压力传感器及压阻排布方法。


背景技术：

2.mems压阻式压力传感器已广泛应用于工业控制、航空航天、海洋、军事、生物医疗等诸多领域。该压阻式压力传感器主要是利用半导体的压阻效应，即受到的压力作用时，电阻率会发生变化。
3.该压阻式压力传感器的工作原理：通过施加压力使得薄膜形变产生应力，进而导致压敏电阻的大小发生变化，因此惠斯通电桥的输出电压也发生变化，以此获得随压力变化的输出信号。
4.而非线性是压力传感器的重要指标之一，是基本误差的主要来源，影响着压力传感器的精度和准确性。目前，非线性的来源主要包括几何非线性、物理非线性和电路非线性，几何非线性起源于气球效应、膜片的大扰度变形导致了应力与压力之间的非线性，能够通过改善感压膜的形状、尺寸、结构等方法来减小。物理非线性主要是压阻效应本身的非线性，由于压力导致晶格变形使得能带结构发生变化而产生的非线性，具有各向异性，还受掺杂浓度和温度影响。电路非线性主要是由于掺杂不均、电阻条刻蚀存在工艺误差等原因引起的电桥各桥臂电学参数不对称而引起的非线性，可以结合工艺要求优化电阻条形状、尺寸、间距等减小该影响。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的mems压阻式压力传感器及压阻排布方法。
6.第一方面，本发明提供了一种mems压阻式压力传感器，包括：
7.感压膜，所述感压膜为方形；
8.位于所述感压膜上的两个第一类电阻和两个第二类电阻，所述第一类电阻的长边与所在的所述感压膜的第一边垂直，所述第二类电阻的长边与所在的所述感压膜的第二边平行，所述第一边与所述第二边为相同边或不同边；
9.第一类电阻和第二类电阻排布在所述感压膜边缘，形成惠斯通电桥；
10.所述第一类电阻所在的第一位置的第一应力与所述第二类电阻所在的第二位置的第二应力之间存在应力差。
11.进一步地，所述感压膜从中间位置到边缘位置，应力逐渐增大。
12.进一步地，若在所述第一类电阻在所述感压膜上的位置的应力与所述第二类电阻在所述感压膜上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凹曲线时，调整所述第一类电阻所在的第一位置与所述第二类电阻所在的第二位置，以使所述第一应力大于所述第二应力，使得非线性误差降低。
13.进一步地，若在所述第一类电阻在所述感压膜上的位置的应力与所述第二类电阻在所述感压膜上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凸曲线时，调整所述第一类电阻所在的第一位置与所述第二类电阻所在的第二位置，以使所述第一应力小于所述第二应力，使得非线性误差降低。
14.进一步地，所述应力差的范围为-0.5p～0.5p，其中p为对所述感压膜施加的压力。
15.第二方面，本发明还提供了一种mems压阻式压力传感器，包括：
16.感压膜，所述感压膜为圆形；
17.位于所述感压膜上的两个第一类电阻和两个第二类电阻，所述第一类电阻的长边与所在的所述感压膜边的第一切线垂直，所述第二类电阻的长边与所在的所述感压膜边的第二切线平行，所述第一切线与所述第二切线均为所述圆形感压膜上的任意切线，且所述第一切线与所述第二切线为同一切线或不同切线；
18.第一类电阻和第二类电阻排布在所述感压膜边缘，形成惠斯通电桥；
19.所述第一类电阻所在的第一位置的第一应力与所述第二类电阻所在的第二位置的第二应力之间存在应力差。
20.进一步地，所述应力差的范围为-0.5p～0.5p，其中p为对所述感压膜施加的压力。
21.进一步地，所述感压膜从中间位置到边缘位置，应力逐渐增大。
22.第三方面，本发明还提供了一种对mems压阻式压力传感器的压敏电阻排布的方法，包括：
23.在方形的感压膜上设置两个第一类电阻和两个第二类电阻，所述第一类电阻的长边与所在的所述感压膜的第一边垂直，所述第二类电阻的长边与所在的所述感压膜的第二边平行，所述第一边与所述第二边为相同边或不同边；
24.其中，将第一类电阻和第二类电阻排布在所述感压膜边缘，形成惠斯通电桥；
25.排布所述第一类电阻在所述感压膜上的第一位置，排布所述第二类电阻在所述感压膜上的第二位置，使得所述第一位置的第一应力与所述第二位置的第二应力之间存在应力差。
26.第四方面，本发明还提供了一种对mems压阻式压力传感器的压敏电阻排布的方法，包括：
27.在圆形的感压膜上设置两个第一类电阻和两个第二类电阻，所述第一类电阻的长边与所在的所述感压膜边的第一切线垂直，所述第二类电阻的长边与所在的所述感压膜边的第二切线平行，所述第一切线与所述第二切线均为所述圆形感压膜上的任意切线，且所述第一切线与所述第二切线为同一切线或不同切线；
28.其中，将第一类电阻和第二类电阻排布在所述感压膜边缘，形成惠斯通电桥；
29.排布所述第一类电阻在所述感压膜上的第一位置，排布所述第二类电阻在所述感压膜上的第二位置，使得所述第一位置的第一应力与所述第二位置的第二应力之间存在应力差。
30.本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
31.本发明提供的一种mems压阻式压力传感器，包括感压膜、位于感压膜上的两个第一类电阻和两个第二类电阻；第一类电阻和第二类电阻排布在感压膜边缘，形成惠斯通电桥；第一类电阻所在的第一位置的第一应力与第二类电阻所在的第二位置的第二应力之间
存在应力差，进而通过第一类电阻与第二类电阻的应力不对称位置，即相同压力下应力大小具有适当差异的位置，使得引入的电路非线性补偿原有的非线性，以提高该mems压阻式压力传感器的线性度。
附图说明
32.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
33.图1示出了本发明实施例一中mems压阻式压力传感器的电阻排布示意图；
34.图2示出了本发明实施例一中惠斯通电桥的连接示意图；
35.图3示出了本发明实施例一中输出-压力曲线为凹曲线的示意图；
36.图4示出了本发明实施例一中输出-压力曲线为凸曲线的示意图；
37.图5示出了本发明实施例一中在正方形的感压膜上另一种电阻排布的示意图；
38.图6示出了本发明实施例二中在圆形的感压膜上电阻排布的示意图；
39.图7示出了本发明实施例二中在圆形的感压膜上的另一电阻排布的示意图；
40.图8示出了本发明实施例三中对mems压阻式压力传感器的压敏电阻排布的方法的步骤流程示意图；
41.图9示出了本发明实施例四中对另一mems压阻式压力传感器的压敏电阻排的方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
42.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
43.实施例一
44.本发明实施例一提供了一种mems压阻式压力传感器，如图1所示，包括：感压膜101，该感压膜101为方形。
45.位于感压膜101上的两个第一类电阻102和两个第二类电阻103，该第一类电阻102的长边与所在的感压膜101的第一边a垂直，第二类电阻103的长边与所在的感压膜的第二边b平行，第一边a与第二边b为相同边或不同边。
46.第一类电阻102和第二类电阻103排布在感压膜101边缘，形成惠斯通电桥。
47.第一类电阻102所在的第一位置的第一应力与第二类电阻103所在的第二位置的第二应力之间存在应力差。
48.将第一类电阻102与第二类电阻103在感压膜101上设置在应力不对称位置，使得引入的电路非线性能够补偿原有的非线性，以提高该mems压阻式压力传感器的线性度。
49.在具体的实施方式中，以正方形的感压膜为例，该两个第一类电阻102与两个第二类电阻103连接形成惠斯通电桥。该惠斯通电桥具体如图2所示，该压力传感器通过压敏电阻构成的惠斯通电桥测量输出电压值，来间接测量非电学量-压力，实现该mems压阻式压力
传感器的功能。
50.在正方形的感压膜101上，若该第一边a与第二边b为不同边，即为相邻边时，两个第一类电阻102与两个第二类电阻103交替排布在该正方形的感压膜101边缘，形成如图1所示的结构。
51.在该正方形的感压膜101上，若该第一边a与第二边b为相同边时，两个第一类电阻102与两个第二类电阻103都位于该正方形的感压膜101的同一边，形成如图5所示的结构。
52.当然，在正方形的感压膜101上，若该第一边a与第二边b为不同边，即为相对边时，两个第一类电阻102与两个第二类电阻103分别位于这两个相对边的边缘，在此未以图示进行展示。
53.当然，该方形的感压膜还可以是长方形，在此并未以图示形式示出。在第一边a与第二边b为相邻边时，该第一类电阻102位于长方形感压膜的长边边缘，第二类电阻102位于长方形感压膜的短边边缘，或者第一类电阻101位于长方形感压膜的短边边缘，第二类电阻102位于长方形感压膜的长边边缘。
54.在第一边a与第二边b为相同边时，该第一类电阻102和第二类电阻103都位于该长方形感压膜的同一长边边缘，或者都位于该长方形感压膜的同一短边边缘。
55.在第一边a与第二边b为相对边时，该第一类电阻102和第二类电阻103都位于长方形感压膜的相对的长边边缘，或者都位于该长方形感压膜的相对的短边边缘。
56.在该感压膜101上施加相同的压力时，位于不同的位置，其应力是不同的。
57.对于中心对称图形的感压膜来说，其边缘对应位置的应力大致相同，从感压膜101的中间位置到边缘位置，其应力逐渐增大。因此，感压膜边缘附近应力最大。
58.对于长方形的感压膜来说，长边的中心位置的应力比短边中心的应力更大。
59.在一种可选的实施方式中，若在第一类电阻102在感压膜上的位置的应力与第二类电阻103在感压膜上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凹曲线时，调整该第一类电阻102所在的第一位置和第二类电阻103所在的第二位置，以使第一应力大于第二应力，使得非线性误差降低。
60.在第一类电阻在感压膜上的位置的应力等于第二类电阻在感压膜上的位置的第二应力，使得输出-压力曲线为凹曲线时，如图3所示，说明随着施加的压力的变化，输出的压力值的曲线不是线性的，即压力的实际输出值与理想线性的压力输出值之差为负的。此时，通过调整第一类电阻102所在第一位置和第二类电阻103所在的第二位置，以使得第一应力大于第二应力，进而使得非线性误差降低。即通过调整第一类电阻102和第二类电阻103在感压膜101上的位置，使得引入的电路非线性补偿原有的非线性，以提高该mems压阻式压力传感器的线性度。
61.在一种可选的实施方式中，若在第一类电阻在感压膜上的位置与第二类电阻在感压膜上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凸曲线时，调整第一类电阻所在的第一位置和第二类电阻所在的第二位置，以使第一应力小于第二应力，使得非线性误差降低。
62.在第一类电阻在感压膜上的位置的应力等于第二类电阻在感压膜上的位置的应力，使得输出-压力曲线为凸曲线时，如图4所示，说明随着施加的压力的变化，输出的压力值的曲线不是线性的，即压力实际输出值与理想线性的压力输出值之差为正的，此时，通过调整第一类电阻102所在的第一位置和第二类电阻103所在的第二位置，以使第一应力小于
第二应力，即通过调整第一类电阻102和第二类电阻103在感压膜101上的位置，使得引入的电路非线性补偿原有的非线性，以提高该mems压阻式压力传感器的线性度。
63.上述在调整第一类电阻102和第二类电阻103时，可以是放置在膜边缘内侧，或者是外侧，也可以跨边放置。
64.当压力传感器的量程增大，即感压膜的尺寸减小或厚度增大时，在对该传感器的线性度进行优化时，所需的应力差更大。
65.其中，感压膜101的厚度和尺寸决定了该传感器的量程，随着感压膜尺寸的减小、膜厚度的增大，传感器的量程会增大，相应地，用于补偿非线性所需的应力差也增大，因此，通过调整第一类电阻所在的第一位置与第二类电阻所在的第二位置，使得第一应力与第二应力的应力差增大，使得该应力差所产生的电路非线性补偿原有的非线性，以提高该mems压阻式传感器的线性度。
66.在感压膜101为正方形时，该感压膜尺寸是指边长。
67.该第一类电阻102所在的第一位置的第一应力与第二类电阻103所在的第二位置的第二应力之间存在应力差，该应力差的范围为-0.5p～0.5p，其中p为施加的压力。以使得在该应力差范围内调整该第一类电阻102所在的第一位置和第二类电阻103所在的第二位置。
68.具体地，在采用衬底为n型si；感压膜101的边长为272μm，厚度为160μm的正方形感压膜，在感压膜101上采用湿法腐蚀，该传感器的满量程为120mpa，通过掺杂在感压膜上的四个p型si压敏电阻，即两个第一类电阻102和两个第二类电阻103。这些电阻的尺寸为18μm*5μm。这四个压敏电阻连接形成惠斯通电桥。
69.其中，第一类电阻102和第二类电阻103所处的位置的应力存在应力差，假设，第一类电阻102所在的第一位置的应力为t
l
＝k
l
p,第二类电阻103所在的第二位置的应力为t
t
＝k
t
p，且k
l
＝k
t
+δk，其中，t
l
为所述第一类电阻102所处的第一位置的第一应力，t
t
为所述第二类电阻103所处的第二位置的第二应力，p为对感压膜101施加的压力，k
l
分别为第一类电阻所处位置处应力随施加压力变化的相关参数，k
t
为第二类电阻所处位置处应力随施加压力变化的相关参数。δk在-0.5～+0.5之间取值时，可以提高该压力传感器的线性度。比如，k
l
＝0.48，k
t
＝0.37时，仿真中该压力传感器的非线性误差可达到10-6
量级。
70.本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
71.本发明提供的一种mems压阻式压力传感器，包括感压膜、位于感压膜上的两个第一类电阻和两个第二类电阻；第一类电阻和第二类电阻排布在感压膜边缘，形成惠斯通电桥；第一类电阻所在的第一位置的第一应力与第二类电阻所在的第二位置的第二应力之间存在应力差，进而通过第一类电阻与第二类电阻的不对称位置，即相同压力下应力大小具有适当差异的位置，使得引入的电路非线性补偿原有的非线性，以提高该mems压阻式压力传感器的线性度。
72.实施例二
73.基于相同的发明构思，本发明提供了一种mems压阻式压力传感器，如图6所示，包括：
74.感压膜601，所述感压膜601为圆形；
75.位于所述感压膜601上的两个第一类电阻602和两个第二类电阻603，所述第一类
电阻602的长边与所在的所述感压膜边的第一切线c垂直，所述第二类电阻603的长边与所在的所述感压膜边的第二切线d平行，所述第一切线c与所述第二切线d均为圆形感压膜601上的任意切线，且第一切线c与第二切线d为同一切线或不同切线；
76.第一类电阻602和第二类电阻603排布在所述感压膜601边缘，形成惠斯通电桥；
77.所述第一类电阻602所在的第一位置的第一应力与所述第二类电阻603所在的第二位置的第二应力之间存在应力差。
78.具体地，在圆形的感压膜601上，若第一切线c与第二切线d为不同切线，且第一切线c与第二切线d为垂直时，两个第一类电阻602与两个第二类电阻603交替排布在该圆形的感压膜601边缘，形成如图6所示的结构。
79.若第一切线c与第二切线d为相同切线，两个第一类电阻602与两个第二类电阻位于该圆形感压膜601的同一位置，形成如图7所示的结构。
80.当然，在第一切线c与第二切线d为不同切线时，该第一类电阻602和所述第二电阻603可以位于该圆形感压膜601上的任意边缘位置，此时，该第一切线c与第二切线d可以呈任意角度。在此就不再详细赘述了。
81.在一种可选的实施方式中，所述感压膜601从中间位置到边缘位置，应力逐渐增大。感压膜边缘附近应力最大。
82.在一种可选的实施方式中，若在所述第一类电阻602在所述感压膜601上的位置的应力与所述第二类电阻603在所述感压膜601上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凹曲线时，调整所述第一类电阻602所在的第一位置和所述第二类电阻603所在的第二位置，以使所述第一应力大于所述第二应力，使得非线性误差降低。
83.在一种可选的实施方式中，若在所述第一类电阻602在所述感压膜601上的位置的应力与所述第二类电阻603在所述感压膜601上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凸曲线时，调整所述第一类电阻602所在的第一位置和所述第二两类电阻603所在的第二位置，以使所述第一应力小于所述第二应力，使得非线性误差降低。
84.在一种可选的实施方式中，所述应力差的范围为-0.5p～0.5p，其中p为对所述感压膜施加的压力。
85.实施例三
86.基于相同的发明构思，本发明提供了一种对mems压阻式压力传感器的压敏电阻排布的方法，如图8所示，包括：
87.s801，在方形的感压膜上设置两个第一类电阻和两个第二类电阻，所述第一类电阻的长边与所在的所述感压膜的第一边垂直，所述第二类电阻的长边与所在的所述感压膜的第二边平行，所述第一边与所述第二边为相同边或不同边。
88.其中，将第一类电阻和第二类电阻排布在该感压膜边缘，形成惠斯通电桥。
89.s802，排布第一类电阻在感压膜上的第一位置，排布第二类电阻在感压膜上的第二位置，使得第一位置的第一应力与第二位置的第二应力之间存在应力差。
90.在一种可选的实施方式中，所述感压膜从中间位置到边缘位置，应力逐渐增大。
91.在一种可选的实施方式中，若在所述第一类电阻在所述感压膜上的位置的应力与所述第二类电阻在所述感压膜上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凹曲线时，调整第一类电阻所在的第一位置和第二类电阻所在的第二位置，以使所述第一应力大于所述第
二应力，进而使得非线性误差降低。
92.在一种可选的实施方式中，若在所述第一类电阻在感压膜上的位置的应力与所述第二类电阻在所述感压膜上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凸曲线时，调整所述第一类电阻所在的第一位置和所述第二类电阻所在的第二位置，以使所述第一应力小于所述第二应力，进而使得非线性误差降低。
93.在一种可选的实施方式中，所述应力差的范围为-0.5p～0.5p，其中，p为对所述感压膜施加的压力。
94.实施例四
95.基于相同的发明构思，本发明提供了一种对mems压阻式压力传感器的压敏电阻排布的方法，如图9所示，包括：
96.s901，在圆形的感压膜上设置两个第一类电阻和两个第二类电阻，所述第一类电阻的长边与所在的所述感压膜边的第一切线垂直，所述第二类电阻的长边与所在的所述感压膜边的第二切线平行，所述第一切线与所述第二切线均为所述圆形的感压膜上的任意切线，且所述第一切线与第二切线为同一切线或不同切线。
97.其中，将第一类电阻和第二类电阻排布在该感压膜边缘，形成惠斯通电桥。
98.s902，排布第一类电阻在感压膜上的第一位置，排布第二类电阻在感压膜上的第二位置，使得第一位置的第一应力与第二位置的第二应力之间存在应力差。
99.在一种可选的实施方式中，所述感压膜从中间位置到边缘位置，应力逐渐增大。
100.在一种可选的实施方式中，若在所述第一类电阻在所述感压膜上的位置的应力与所述第二类电阻在所述感压膜上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凹曲线时，调整第一类电阻所在的第一位置和第二类电阻所在的第二位置，以使所述第一应力大于所述第二应力，进而使得非线性误差降低。
101.在一种可选的实施方式中，若在所述第一类电阻在感压膜上的位置的应力与所述第二类电阻在所述感压膜上的位置的应力相等，使得输出-压力曲线为凸曲线时，调整所述第一类电阻所在的第一位置和所述第二类电阻所在的第二位置，以使所述第一应力小于所述第二应力，进而使得非线性误差降低。
102.在一种可选的实施方式中，所述应力差的范围为-0.5p～0.5p，其中，p为对所述感压膜施加的压力。
103.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
104.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。